量子计算原型机来了，这个“祖冲之号”神在哪儿？

出品|网易文创

导语：10月26日，来自中国科学技术大学的潘建伟院士团队同中科院上海技术物理研究所合作，成功构建了世界首个66比特可编程量子计算原型机—祖冲之二号。祖冲之二号是在今年5月份发布的祖冲之号的基础上进行相关技术升级后的最新计算原型机，相关成果已经先后在国际学术期刊《Science》和《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上发表，其计算速度比目前世界上计算速度最快的超算快了1000万倍，实现了超导量子比特计算方法的量子计算优越性。

那么，什么是量子计算？什么是量子计算机呢，它与普通的计算机有何区别呢？

一、什么是量子计算？

量子计算和量子计算机的概念最早是由美国物理学家Feynman提出的，到1985年，英国物理学家Deutsch基于电子计算机的图灵机计算模型提出了量子图灵机的计算模型，通过对量子图灵机的性质的深入研究，证实了量子计算机相对传统电子计算机所具有的巨大的计算潜力和计算优势。

早期二进制计算机

1994年，美国贝尔实验室的Shor基于改进的量子图灵机计算模型的Shor算法，成功解决了整数的质因数分解和离散对数的求解问题，这更进一步地验证了量子计算机的技术先进性并将量子计算机的发展推向了一个新的高潮。

同传统的电子计算机相同，量子计算机也可以被认为成一个用于计算的物理系统，有所区别的是量子计算机依靠量子力学的相关物理规律和性质进行计算，其计算原理主要是基于量子力学里的四个公设而进行的：

量子状态公设：任何待计算的系统都可以用量子系统的态空间进行表示，通常用有限维度的Hilbert空间来进行描述，将量子系统以一个时间的函数进行量化表示；

量子演化公设：任意量子系统的变化情况都可以通过一个酉变换来表示，同样也可以用同时间相关联的酉算子来表示；

量子测量公设：量子测量的结果使用自伴随随机算子来表示，即将量子计算的复杂物理结果表示出来；

复合系统公设：多个计算系统组成的复合计算系统可以用单个系统的张量积来表示，即复杂繁复的计算系统可以通过简单系统的复合来得到。

量子计算就是基于上述四个量子力学公设，通过量子程序和量子算法来实现量子力学系统中态的演化，从而实现各种逻辑功能，也即达到计算的目的。

二、什么是量子计算机？

量子计算机就是能够将量子计算实现的物理系统，也就是量子计算的物理载体。要理解量子计算机为什么能够实现量子计算及其计算优越性，最关键的是量子比特和量子并行计算这两个基本原理：

量子比特：传统的电子计算机使用比特来表示计算机中的基本信息单元，其有两种状态，即0和1，对应到实际工作状态中为有电荷为1，没有电荷为0。而在量子计算体系中，基本的信息单元为量子比特，量子比特可以使用|0>和|1>两种状态来表示，这两种状态还可以以叠加态的形式进行表示，即可以在两种状态之间包含海量的信息。

量子比特示意图 图源：黄敏行.量子计算机原理及研究成果[J]. 数字通信世界,2017(11):242+250

并行计算：对于经典电子计算机来说，n比特的储存器可以储存的信息量为2n个可能信息中的某一个，而量子的纠缠状态可以将量子比特在空间范围内将自身的状态同其他独立的量子比特进行分享，即n比特的量子储存器则可以将2n个可能信息全部存储起来，相对电子计算机可以实现存储信息量的指数增长。

总的来说，量子计算机就是以量子态作为记忆和信息存储单元，以量子动力学演化作为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，在量子计算机中其硬件的各种元件的尺寸达到原子或者分子的量级。其基于不同的量子算法、量子程序、量子计算机控制系统、以及量子程序设计语言，通过低温超导材料、微电子制造技术、离子阱制造量子比特以及量子纠缠等技术路线来制造量子计算机。

三、祖冲之号量子计算机

潘建伟院士团队长期深耕量子通信和量子计算领域，在近年来分别实现了一维和二维结构的12比特和24比特的超导量子比特的相干调控。在此基础上，实现了62比特可编程的超导量子计算机原型—祖冲之号的构建。

祖冲之号的核心部件为一个由62个可控功能量子位元组成的8×8阵列的二维超导量子处理器，成功实现了单粒子和双粒子的量子行走，并观察到了两种量子行走的干涉条纹情况，其超越了之前谷歌公司的“悬铃木”53个可控比特量子计算机保持的记录，对将来的量子模拟、量子搜素算法以及通用量子计算都具有极其重要的意义。

祖冲之号二维超导量子处理器示意图

Gong M,Wang S,Zha C,etal.Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconductingprocessor[J].2021.

不到半年时间，在今年的10月份，祖冲之号的升级版本—祖冲之二号就成功问世。采用全新的倒装焊3D封装工业，将大规模比特集成的问题成功解决，实现了66个数据比特、110个耦合比特、11路读取的高密度集成，最大态空间维度达到了1019,将各个可控比特之间的耦合强度实现了的快速、精确可调，提高了量子并行计算的保真度，在处理计算问题时较目前最快的超算计算机快一千万倍，计算复杂度较“悬铃木”提高了近百万倍。

中美主要量子计算机性能对比表

图源：中科院量子计算云平台https://quantumcomputer.ac.cn/index.html

四、世界量子计算机的发展现状

量子信息技术以及量子计算技术作为重要的战略技术，世界各国都早已布局发展相关技术，目前世界上量子计算技术比较发达的国家重要有美国、欧洲、日韩、印度以及中国等。

美国政府从2002就制定和颁布了一系列的量子信息技术相关的政策法规，在理论研究、量子计算机的应用方面都走在了前列。比较有代表性的有美国的谷歌、IBM等公司的量子计算技术，例如谷歌在2019年推出的“悬铃木”超导量子计算机，其计算芯片包含53个可控超导量子比特，计算性能也十分强悍。

谷歌发表的“量子霸权”论文

Quantum supremacy using aprogrammable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779):505-510.

我国的量子信息技术布局始于上世纪90年代，至2005年始走上了发展的快车道，在十二五和十三五科技规划中都对量子信息和量子计算的发展做出了极具战略眼光的前沿规划。以中国科学技术大学量子物理与量子信息学部以及上海量子科学研究中心等一大批科研机构已经将我国的量子信息和量子计算技术提升到了世界领先的地位。

中国九章量子计算机

结语：

作为二十世纪最伟大的科学发现之一的量子力学，不仅催生了晶体技术、核磁技术、卫星等对我们现在生活影响深远的科学技术，其必将也继续对将来的科学发展形态提供更多更有利的科学工具。而相信量子计算机载将来也将走向通用化，在天气预报、工程模拟计算、大规模数据分析等方面大展拳脚。

让我们一起期待未来，期待量子信息和量子计算机技术能够真正地走向实际，为我们的生活加加速。

参考文献：

[1] 黄敏行. 量子计算机原理及研究成果[J]. 数字通信世界, 2017(11):242+250.

[2] Gong M,Wang S,Zha C,et al.Quantum walks on a programmabletwo-dimensional 62-qubit superconducting processor[J].2021.

[3] Quantum supremacy using a programmable superconductingprocessor[J]. Nature, 2019, 574(7779):505-510.

[4] 苏晓琴, 郭光灿. 量子通信与量子计算[J].量子电子学报, 2004, 21(6):13.

[5] 吴楠, 宋方敏. 量子计算与量子计算机[J].计算机科学与探索, 2007(1):16.